Wissen: Hinderniserkennung von Drohnen – Systeme & Funktion(In nur 6 Minuten gelesen)

Moderne Drohnen verfügen über eine Hinderniserkennung, um dem Piloten ein möglichst sicheres Flugerlebnis zu bieten. In diesem Artikel erklären wir dir, welche verschiedenen Technologien es gibt und was du bei der Verwendung dieser Assistenzsystem beachten musst.

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Hindernisse automatisch zu erkennen und vor einem Zusammenstoß abzubremsen oder gar autonom den Flugpfad zu ändern ist eine der wichtigsten Funktionen von modernen Drohnen, damit auch Anfänger Multicopter sicher in der Luft halten können.

Aber nicht nur im Hobby-Bereich ist „Sense and Avoid“ – das ist der englische Begriffe dafür – eine Grundvoraussetzung. Vor allem in der Drone Delivery Branche (also der Lieferung von Waren und Gütern durch die Luft) spielt die Hinderniserkennung eine wichtige Rolle, um autonome Drohnen sicherer zu machen.

Hinderniserkennung vs. Kollisionsvermeidung

Unterschieden werden muss dabei zwischen zwei Begriffen: Der Hindernisserkennung und der Kollisionsvermeidung. Beide Dinge sind eng miteinander verwoben, jedoch nicht dasselbe.

Rückseitig hat die Mavic 2 Serie von DJI zwei Sichtkameras zur Verfügung.

Die Hinderniserkennung sorgt dafür, dass die Drohne in der Lage ist, ihre Umwelt wahrzunehmen. Das muss nicht unbedingt ein 360°-Rundumblick sein, die meisten Drohnen arbeiten mit nach vorne und nach unten gerichteter Hinderniserkennung.

Auf Basis dieser Informationen kann dann, sobald ein Hindernis erkannt wurde, die Kollisionsvermeidung als Konsequenz des erkannten Objektes aktiviert werden.

In seiner einfachsten Form sorgt die Hinderniserkennung bei einer sich bewegenden Drohne dafür, dass die Drohne vor dem Hindernis zum stehen kommt und dieses nicht berührt.

Schwebt die Drohne lediglich vor sich hin, so stellt dich Kollisionsvermeidung sicher, dass sich die Drohne gar nicht erst in die Richtung des Hindernisses bewegen kann. Dafür sind bestimmte Abstände eingestellt, die die Steuerung zu Objekten in der Umgebung der Drohne einhält bzw. einzuhalten versucht.

Die Ausbaustufe der Kollisionsvermeidung ist die proaktive Änderung des Flugpfades um das Hindernis herum. Dazu muss die Drohne autonom einen neuen Weg berechnen, der entweder seitlich, über oder unter dem Hindernis vorbei führt. DJI hat beispielsweise mit seinem Advanced Pilot Assistent System (APAS) eine solche Technologie bereits in seine Consumer Drohnen integriert.

Ist eine automatisches Umfliegen des Hindernisses nicht möglich, so greift natürlich in der Regel die einfache Form der Kollisionsvermeidung und die Drohne wird vor dem Zusammenstoß bestmöglich abgebremst.

Verschiedene Sensoren im Überblick

Damit sich eine Drohne überhaupt ein Bild von ihrer Umgebung machen kann und in der Lage ist, Objekte in ihrem Flugpfad zu erkennen, sind verschiedene Sensoren notwendig. Deren Informationen werden durch einen Computer zu einem digitalen Abbild des Umfeldes verarbeitet, welches dann in Echtzeit ausgewertet wird.

Wir wollen im Folgenden auf die verschiedenen Sensoren eingehen, die heute zur Hinderniserkennung zum Einsatz kommen.

Sichtkameras

Sichtkameras sind mittlerweile der meist genutzte Sensortyp zur Navigation von Drohnen. Was vor ein paar Jahren noch undenkbar war, ist heute aufgrund der extrem gestiegenen Rechenleistung kleiner Computer Standard: In Echtzeit werden mehrere Kamerabilder kombiniert und von der Drohne auf potenzielle Hindernisse und Objekte innerhalb des aktuellen Flugpfades analysiert.

Zwei Sichtkameras für Stereo-Sehen an der Front der Mavic 2 Pro
Auch in der Front der Mavic 2 Pro sind zwei Sichtkameras für Stereo-Sicht integriert.

Sichtkameras kommen dabei häufig in alle Richtungen zum Einsatz, um möglichst eine Rundumabdeckung zu gewährleisten.

Seitliche Sichtkameras der Mavic 2 Pro
Seitlich ist eine Kamera für die Hinderniserkennung zuständig. Auf der Oberseite zeigt sich ein IR-Sensor.

Im Gegensatz zu anderen Sensortypen sind Drohnen durch Kameras in der Lage einzelne Objekte zu erkennen. So erkennt die Drohne nicht nur das etwas da ist, sondern weiß auch, was sie vor sich hat.

Infrarotsensoren

In Kombination mit Sicherkameras kommen trotzdem häufig IR-Sensoren (Infrarot) zum Einsatz. Dieser Sensortyp kann Hindernisse auf kurze Distanzen (einige Meter) erkennen. Im Gegensatz zur Kamera ist IR vor allem dann im Vorteil, wenn diffuse Objekte erkannt werden müssen. Das können zum Beispiel Oberflächen oder feine Äste von Bäumen sein.

Drohnen verwenden IR-Sensoren vor allem nach oben und nach unten gerichtet, um eine genaue Landung zu ermöglichen oder aber um Zusammenstöße mit Hindernissen oberhalb der Drohne zu vermeiden.

Ultraschallsensoren

Eine heute nur noch eher selten eingesetzte Sensortart ist der Ultraschallsensor. Dieser Sensor erlaubt ebenfalls das Abtasten von Räumen. In relativ frühen Drohnenmodellen mit Hinderniserkennung wurden Ultraschallsensoren ähnlich eingesetzt wie heutige IR-Sensoren

Besonders das Halten eines definierten Abstandes zu einer Oberfläche funktioniert mit Ultraschallsensoren sehr gut.

LiDar-Sensor

Industrielle Drohnen, die vor allem in geschlossenen Bereichen geflogen werden (Minenschächten, Industrieanlagen), sind außerdem oft mit LiDar-Sensoren ausgestattet.

Livox Mid-40 LiDar SensorBildquelle: DJI
Ein LiDar-Sensor vin Livox für den Einsatz auf Drohnen.

LiDar steht für light detection and ranging und bezeichnet eine Technologie, bei der der umliegende Raum mithilfe von Licht- oder Laserstrahlen sehr genau vermessen wird. Dazu rotiert ein Lichtstrahl mit mehreren hundert Umdrehungen pro Minute, während ein entsprechender Sensor die Reflexion des Lichts aufzeichnet.

Die Drohne ist so in der Lage, eine sehr genaue Karte ihrer Umgebung anzufertigen, die dann zur Navigation genutzt werden kann. Das Prinzip kommt zum Beispiel auch bei hochwertigen Staubsaugerrobotern zum Einsatz, um eine saubere Navigation zu gewährleisten.

Wie zuverlässig sind moderne Drohnen?

Die Zuverlässigkeit der Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung moderner Drohnen ist mittlerweile schon sehr gut. Je mehr verschieden Sensorsysteme eine Drohne nutzen kann, um sich ein Bild ihrer Umwelt zu machen, desto mehr Daten haben die Algorithmen an Bord zur Verfügung, um intelligente Entscheidungen zu treffen.

Wie bei allen Assitenzsystemen gilt im Drohnenbereich aber genau so wie im Automobilbereich: Schön zu haben, aber (noch) kein Ersatz für den Menschen.

Damit wollen wir aktuellen Drohnen-Modellen nicht ihre teilweise bereits beeindruckenden autonomen Flugfähigkeiten absprechen – diese sind ohne Zweifel bereits vorhanden.

Mavic 2 Pro von der Seite im Flug
Auch seitliche Hindernisse kann die Mavic 2 Pro von DJI im Flug erkennen.

Es geht viel mehr darum, dass sich Drohnenpiloten nicht vollständig auf die Funktion ihrer Assistenzsystem verlassen dürfen. Wer eine Drohne fliegt, sollte die auch bei Ausfallen eines oder mehrere Systeme noch sicher in der Luft halten können.

Es ist daher dringend angeraten, die einzelnen Assistenten in einer sicheren Umgebung in Ruhe zu testen und ihre Funktionsweise kennenzulernen, um zu wissen, auf welche Technik man sich in welcher Situation verlassen kann und welche Funktion besser abgeschaltet bleibt.

Welche Drohne können das?

Einfache Hinderniserkennung (in eine oder zwei Richtungen) wird bereits von Drohnen der Einsteigerklasse unterstützt. Eine Vertreterin ist hier die DJI Spark*, die nach vorne gerichtete IR-Sensoren hat und nach unten mit Sichtkameras arbeitet.

Teurere Drohnen sind dann oft mit vier-, fünf oder gar sechsseitiger Hinderniserkennung ausgestattet.

Kamera und IR-Sensoren auf der Unterseite der DJI Spark
Schon bei der Spark hat DJI auf eine nach unten gerichtete Sichtkamera gesetzt.

Beispiele für Drohnen mit allseitiger Erkennung (sechsseitig) sind Beispielsweise die DJI Mavic 2 Serie* oder die Skydio R1 Drohne*.

Die Mavic 2 Serie hat dazu zwei Kameras in der Front, zwei Kameras auf der Rückseite, eine Kamera an jeder Seite, zwei Kameras auf der Unterseite, ein IR-Sensore auf der Unterseite und einen IR-Sensor auf der Oberseite.

Die Skydio R1 Drohne geht einen anderen Weg und verwendet 13 einzelne Kameras für eine Rundumabdeckung durch Sichtkameras.

Schlusswort

Wir hoffen, dir hat dieser Artikel zum Thema Hinderniserkennung bei Drohnen geholfen und die hast nun einen besseren Überblick, welche Arten von Flugsystemen es gibt und auf welchen Sensortypen diese aufgebaut sind.

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Bildquellen

  • Livox Mid-40 LiDar Sensor: DJI
Nils Waldmann

Nils Waldmann

Hi, ich bin Nils! Ich bin leidenschaftlicher Modellbauer, Hobby-Fotograf, Akku-Liebhaber und RC-Pilot. Ich berichte hier über die neusten Entwicklungen in der Drohnen-Branche und kümmere mich um detaillierte Anleitungen, Guides und Testberichte.

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